Первая отечественная мембрана на основе полиэфирсульфона

Главная » Публикации » Первая отечественная мембрана на основе полиэфирсульфона

Скачать статью в формате PDF

Первая отечественная мембрана на основе полиэфирсульфона

Астахов Е.Ю., к.х.н., заместитель директора по научной работе ООО «Экспресс-Эко»

Котова А.Ю., к.б.н., заместитель директора по маркетингу ООО «Экспресс-Эко»

Потребность фармацевтической индустрии в качественных, термически и химически стойких мембранах ни у кого не вызывает сомнения. До настоящего времени отечественные производители полностью зависели от импортных поставщиков, поскольку отечественные фирмы, и ООО «Экспресс-Эко» в том числе, могли предложить или капроновую мембрану (найлон-6, полиамид), или мембрану на основе фторопласта-42 на подложке из полипропилена. При всех достоинствах фильтрующих элементов на основе вышеназванных материалов, они являются термически нестойкими и подвергаются быстрой деградации при термической стерилизации. Кроме того, технически невозможно производить гидрофильную мембрану из фторопласта-42 с размером пор 0,2 мкм, что резко сужает спектр применения данного вида продукции. В итоге до сегодняшнего момента мы вынуждены были комплектовать системы фильтрации жидкостей на финишных ступенях исключительно импортными мембранными фильтрующими элементами, стоимость которых колеблется от 300 до 400 евро за элемент высотой 10 дюймов.

ООО «Экспресс-Эко», начав в 1991 году производство с глубинных фильтрующих элементов на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4), а затем и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), в 2004 году освоило выпуск собственной низкоселективной мембраны на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4). Параллельно был оснащен участок гофрирования фильтрующих материалов и освоен выпуск гофрированных элементов на основе стекловолокна и каландрированного полипропилена (торговые марки ЭКОСТЕК и ЭКОПЛЕН-РР). В 2008 году был создан пленочный фильтрующий материал на основе СВМПЭ.

Осознавая острую потребность отечественных производителей в качественной и недорогой мембране, специалисты ООО «Экспресс-Эко» более 4 лет разрабатывали технологию получения микрофильтрационных мембран на основе полиэфирсульфона. Растущая востребованность мембран из этого полимера обусловлена высокой механической прочностью полимера, достаточно высокой химической стойкостью и высокой температурой стеклования (220°C), что позволяет стерилизовать мембрану и изделия из нее острым паром и подвергать промывкам горячей водой с реагентами.

Для производства мембран спроектирована и изготовлена установка непрерывного действия ленточного типа. В основе принципа получения мембран лежит метод фазового распада, инициированного парами осадителя - воды (vapor induced phase separation). Установка имеет узел подготовки и транспортирования раствора полимера, фильеру для полива раствора на движущуюся ленту, климатическую камеру, ванну осаждения, отмывки и термостабилизации, зону сушки и приемное устройство готовой мембраны. Вся установка находится в чистой зоне, уровень чистоты по взвешенным в воздухе частицам составляет не хуже класса 3 ИСО по ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000.

В настоящее время освоен серийный выпуск мембран в полотне и мембранных фильтрующих элементов на их основе. Выпускается гидрофильная мембрана из полиэфирсульфона с рейтингами фильтрации 0,1; 0,2 и 0,45 мкм. Мембраны характеризуются коэффициентом задержания (К) частиц, размер которых больше рейтинга фильтрации, не менее 0,9999.

Коэффициент проскока (П) частиц, размер которых больше рейтинга фильтрации, связан с коэффициентом (К) и определяется формулой П = 1 – К. Очевидно, что П=0,0001 при К=0,9999. Общепринятая практика отождествлять зависимость коэффициента проскока от размера частиц с потоковым распределением пор, определяемым методом проницаемости [1].

На рис.1,а и 1,б показаны зависимости коэффициента проскока (другими словами потоковые распределения пор) от диаметра задерживаемых частиц для выпускаемых микрофильтрационных мембран из полиэфирсульфона с рейтингами 0,1; 0,2 и 0,45 мкм.

Методика измерения максимального размера пор лежит в основе определения рейтинга фильтрации мембраны. Обычно максимальный размер пор оценивают по «точке пузырька» (bubble point) не уточняя алгоритм определения. На рис. 2,а и 2,б показаны кривые тестов мультидиффузии, полученные на приборе «Сарточек-3», для двух полиэфирсульфоновых мембран размером 250х250 мм с рейтингом фильтрации 0,2 мкм. Прибор определяет «точку пузырька» при расходе воздуха около 150 мл/мин. По этому показателю «точки пузырька» для обеих мембран близки и составляют около 4800 мбар = 0,48 МПа. Однако действительный максимальный размер пор соответствует давлению смены режима расхода воздуха с диффузионного на объемное течение [2]. Соответственно это происходит как видно на рис 2,б для мембраны 1 при 0,29 МПа и для мембраны 2 при 0,4 МПа. Эти значения давления – реальные значения «точки пузырька». Мембрана 1, как и патронный элемент из нее не будет иметь стерилизующего назначения, в то время как мембрана 2 и патронный элемент из нее будет обеспечивать стерилизующую фильтрацию.

В Таблице 1 представлены технические характеристики выпускаемых мембран. Высокая пористость мембран более 70% обеспечивает достаточно высокую их производительность по жидкости.

Таблица 1. Технические характеристики полиэфирсульфоновых мембран производства ООО «Экспресс Эко» марки МФМ 555…

Характеристики	Значения характеристик
Смачиваемость водой, Угол смачивания	Гидрофильная, Θ=65°
Рейтинги фильтрации, мкм	0,1	0,2	0,45
Точка пузырька по воде, МПа	>0,82	>0,46	>0,28
Точка отклонения от диффузионного потока, МПа	>0,75	>0,4	>0,25
Пористость, %	71	74	78
Удельная производительность по воде, м3/(м2∙ч∙атм)	7	18	40
Прочность на разрыв, МПа	6,5	5,5	4,0
Разрывное удлинение, %	20 - 25

Было произведено сравнительное тестирование мембран производства ООО «Экспресс-Эко» с доступными нам образцами мембраны производства фирмы Membrana GmbH (Германия). Показатели мембран достаточно близки (Таблица 2). Таким образом, выпускаемые мембраны на основе полиэфирсульфона по своим технико-эксплуатационным характеристикам соответствуют мировым стандартам.

Таблица 2. Сравнение характеристик мембран с рейтингом фильтрации 0,2 мкм производства ООО «Экспресс-Эко» и Membrana GmbH (Германия). Черным шрифтом представлены результаты наших измерений, красным – заявленные показатели германской фирмы

Производитель	ООО «Экспресс-Эко»	Membrana GmbH
Марка мембраны	МФМ-555	MicroPES	DuraPES
Точка пузырька, МПа	>0,48	>0,43 (>0,46)	>0,43 (>0,47)
Реальная «точка пузырька», МПа	>0,4	>0,29	>0,33
Производительность по воде, м3/(м2•ч•атм)	18 ± 2	21 (18 ± 4)	25 (23 ± 4)
Напряжение при разрыве, МПа	5,5 ± 0,5	6 ± 1	5,5 ± 0,5
Удлинение до разрыва, %	23 ± 2	30 ± 5	35 ± 5

Следует обратить внимание, что значения реальной «точки пузырька» мембраны марки МФМ-555 существенно выше соответствующих показателей для импортных мембран.

Достаточная механическая прочность позволяет гофрировать мембраны без нарушения их целостности. В таблице 3 представлены технико-эксплуатационные характеристики фильтрующих элементов на основе полиэфирсульфоновой мембраны.

Таблица 3. Технико-эксплуатационные характеристики фильтрующих элементов производства ООО «Экспресс-Эко» марки ЭФП-555… высотой 250 мм и площадью мембраны 0,7 м²

Характеристики	Марка элемента
	ЭФП-555-0,1/L-250	ЭФП-555-0,2/L-250…	ЭФП-555-0,45/L-250
Рейтинги фильтрации, мкм	0,1	0,2	0,45
Точка пузырька по воде, МПа	>0,78	>0,44	>0,26
Точка отклонения от диффузионного потока, МПа	>0,72	>0,38	>0,23
Удельная производительность по воде, м3/(ч∙атм)	2,5	6	12
Максимальная температура длительной эксплуатации, °С	100
Максимальный перепад давления в направлении фильтрации	0,4 МПа до 30°С, 0,2 МПа до 100°С
Количество циклов паровой стерилизации при 121°С в течение 45 мин при 140°С в течение 20 мин	Не менее 30 Не менее 15

В заключение необходимо отметить, что стоимость мембранных элементов на основе новой мембраны из полиэфирсульфона существенно ниже стоимости импортных фильтрующих элементов.